Nuklideille on tunnusomaista niiden atomiluku (protonien lukumäärä) ja atomimassa- numero (protonien ja neutronien kokonaismäärä). Protonien määrä määrää, mikä elementti se on, ja protonien ja neutronien kokonaismäärä määrää isotoopin.
Radioisotoopit (radioaktiiviset isotoopit) ovat atomeja, joilla on epävakaa ydin ja jotka ovat alttiita ytimen hajoamiselle. He ovat korkean energian tilassa ja haluavat siirtyä pienemmän energian tilaan vapauttamalla kyseisen energian joko valon tai muiden hiukkasten muodossa. Radioisotoopin puoliintumisaika tai aika, jonka radioisotoopin puolet atomista hajoaa, on erittäin hyödyllinen tapa tietää.
Radioaktiiviset elementit ovat yleensä jaksollisen taulukon viimeisellä rivillä ja harvinaisten maametallien elementtien viimeisellä rivillä.
Radioaktiivinen hajoaminen
Radioaktiivisilla isotoopeilla on epävakaita ytimiä, joissa sitoutumisenergia, joka pitää protonit ja neutronit tiukasti lukittuina, ei ole riittävän voimakas pysymään pysyvästi. Kuvittele pallo, joka istuu kukkulan huipulla; kevyt kosketus lähettää sen liikkuvan alaspäin, kuin pienemmän energian tilaan. Epävakaat ytimet voivat tulla vakaammiksi vapauttamalla osan energiansa joko valon tai muiden hiukkasten, kuten protonien, neutronien ja elektronien muodossa. Tätä energian vapautumista kutsutaan radioaktiiviseksi hajoamiseksi.
Hajoamisprosessi voi olla monessa muodossa, mutta radioaktiivisen hajoamisen perustyypit ovat:alfahajoaminen (alfa-hiukkasen / heliumytimen emissio),beetahajoaminen (beetahiukkasten tai elektronin talteenotto) jagammarappeutuminen (gammasäteiden tai gammasäteilyn emissio). Alfa- ja beeta-hajoaminen muuntaa radioisotoopin toiseksi nuklidiksi, jota kutsutaan usein tytärnuklidiksi. Kaikki kolme hajoamisprosessia luovat ionisoivan säteilyn, eräänlaisen suurenergisen säteilyn, joka voi vahingoittaa elävää kudosta.
Alfa-hajoamisessa, jota kutsutaan myös alfa-emissioksi, radioisotooppi lähettää kaksi protonia ja kaksi neutronia helium-4-ytimenä (tunnetaan myös alfa-hiukkasena). Tämä saa aikaan radioisotoopin massanumeron laskevan neljällä ja sen atomiluvun kahdella.
Beeta-hajoaminen, jota kutsutaan myös beeta-emissioksi, on elektronin emissio radioisotoopista, kun yksi sen neutronista muuttuu protoniksi. Tämä ei muuta nuklidin massanumeroa, mutta lisää sen atomilukua yhdellä. On myös eräänlainen beeta-hajoaminen, joka on melkein käänteinen ensimmäiseen: nuklidi lähettää positronia (positiivisesti varautunut elektroni-antimateriakumppani), ja yksi sen protoneista muuttuu neutroniksi. Tämä pienentää nuklidin atomilukua yhdellä. Sekä positronia että elektronia pidettäisiin beeta-hiukkasina.
Erityistä beeta-hajoamista kutsutaan elektronin sieppauksen beetahajoamiseksi: Yksi nuklidin sisimmistä elektroneista siepataan protoni ytimessä, muuttaen protonin neutroniksi ja lähettämällä erittäin pienen, erittäin nopean hiukkasen, jota kutsutaan elektroniksi neutrino.
Radioaktiivisuus mitataan yleensä yhdessä kahdesta yksiköstä: becquerel (bq) ja curie. Becquerels on standardi (SI) radioaktiivisuuden yksikkö, ja se edustaa yhden hajoamisen nopeutta sekunnissa. Kouristukset perustuvat yhden gramman radium-226: n rappeutumiseen sekunnissa, ja ne on nimetty juhlallisen radioaktiivisuustieteilijän Marie Curien mukaan. Hänen löytönsä radiumin radioaktiivisuudesta johti lääketieteellisen röntgensäteen ensimmäiseen käyttöön.
Mikä on puoliintumisaika?
Radioaktiivisen isotoopin puoliintumisaika on keskimääräinen aika, joka kuluu noin puoleen radioisotooppinäytteen atomista hajoamiseen. Eri radioisotoopit hajoavat eri nopeuksilla, ja niiden puoliintumisaika voi olla erittäin erilainen; nämä puoliintumisajat voivat olla niinkin lyhyet kuin muutama mikrosekunti, kuten polonium-214: n tapauksessa, ja jopa muutama miljardi vuotta, kuten uraani-238.
Tärkeä käsite on, että tietty radioisotooppi tuleeainarappeutua samalla nopeudella. Sen puoliintumisaika on luontainen ominaisuus.
Voi tuntua oudolta luonnehtia elementtiä sen mukaan, kuinka kauan puolet siitä hajoaa; ei ole juurikaan järkeä puhua esimerkiksi yhden atomin puoliintumisajasta. Mutta tämä toimenpide on hyödyllinen, koska ei ole mahdollista määrittää tarkalleen, mikä ydin hajoaa ja milloin - prosessi voidaan ymmärtää vain tilastollisesti keskimäärin ajan myötä.
Yhden atomituuman tapauksessa puoliintumisajan yleinen määritelmä voidaan kääntää: todennäköisyys, että ydin hajoaa lyhyemmässä ajassa kuin puoliintumisaika, on noin 50%.
Radioaktiivisen hajoamisen yhtälö
On olemassa kolme vastaavaa yhtälöä, jotka antavat jäljellä olevien ytimien määränt. Ensimmäisen antaa:
N (t) = N_0 (1/2) ^ {t / t_ {1/2}}
Missät1/2on isotoopin puoliintumisaika. Toiseen liittyy muuttujaτ, jota kutsutaan keskimääräiseksi käyttöikäksi tai ominaisajaksi:
N (t) = N_0e ^ {- t / τ}
Kolmas käyttää muuttujaaλ, joka tunnetaan hajoamisvakiona:
N (t) = N_0e ^ {- λt}
Muuttujatt1/2, τjaλovat kaikki yhteydessä seuraavalla yhtälöllä:
t_ {1/2} = ln (2) / λ = τ × ln (2)
Riippumatta siitä, mitä muuttujaa tai yhtälön versiota käytät, funktio on negatiivinen eksponentti, eli se ei koskaan saavuta nollaa. Jokaisen kuluvan puoliintumisajan kohdalla ytimien määrä puolittuu, pienenee ja pienenee, mutta ei koskaan häviää - ainakin niin tapahtuu matemaattisesti. Käytännössä näyte koostuu tietysti rajallisesta määrästä radioaktiivisia atomeja; kun näyte on laskenut yhteen atomiin, se atomi lopulta hajoaa, eikä alkuperäisen isotoopin atomeja ole jäljessä.
Radioaktiivinen treffaus
Tutkijat voivat käyttää radioaktiivisia hajoamisnopeuksia vanhojen esineiden tai esineiden iän määrittämiseen.
Esimerkiksi hiili-14 täydentyy jatkuvasti elävissä organismeissa. Kaikilla elävillä olennoilla on sama suhde hiili-12: een hiili-14: een. Tämä suhde muuttuu, kun organismi kuolee, koska hiili-14 hajoaa, kun taas hiili-12 pysyy vakaana. Tietämällä hiili-14: n hajoamisnopeus (sen puoliintumisaika on 5730 vuotta) ja mittaamalla kuinka suuri osa näytteen hiili-14: sta on muunnettu muiksi alkuaineiksi suhteessa hiili-12: n määrään, on mahdollista määrittää fossiilien ja vastaavien esineitä.
Radioisotooppeja, joilla on pidempi puoliintumisaika, voidaan käyttää vanhempien esineiden päivämäärään, vaikka on oltava jokin tapa kertoa, kuinka suuri osa radioisotoopista oli näytteessä alun perin. Hiilikuittauksella voidaan päivämäärätä vain alle 50000 vuotta vanhoja esineitä, koska yhdeksän puoliintumisajan jälkeen hiili-14: tä on yleensä liian vähän jäljellä tarkan mittauksen tekemiseksi.
Esimerkkejä
Jos seaborgium-266: n puoliintumisaika on 30 sekuntia ja aloitamme arvolla 6,02 × 1023 atomien, voimme löytää, kuinka paljon jäljellä on viiden minuutin kuluttua käyttämällä radioaktiivista hajoamisyhtälöä.
Radioaktiivisen hajoamisen yhtälön käyttämiseksi kytkemme 6,02 × 1023 atomejaN0, 300 sekuntiatja 30 sekuntiat1/2.
(6.02 × 10^{23})(1/2)^{(300/30)} = 5.88 × 10^{20}
Entä jos meillä olisi vain alkumäärä atomia, lopullinen atomien lukumäärä ja puoliintumisaika? (Tätä tutkijoilla on käytettäessä radioaktiivista hajoamista muinaisten fossiilien ja esineiden päivittämiseen.) Jos plutonium-238-näyte alkoi arvolla 6,02 × 1023 atomia, ja sillä on nyt 2,11 × 1015 atomien määrä, kuinka paljon aikaa on kulunut, kun otetaan huomioon, että plutonium-238: n puoliintumisaika on 87,7 vuotta?
Yhtälö, jonka meidän on ratkaistava, on
2.11 \ kertaa 10 ^ {15} = (6.02 \ kertaa 10 ^ {23}) (1/2) ^ {\ frac {t} {87.7}}
ja meidän on ratkaistava set.
Jakamalla molemmat puolet 6,02 × 10: llä23, saamme:
3,50 \ kertaa 10 ^ {- 9} = (1/2) ^ {\ frac {t} {87,7}}
Voimme sitten ottaa molempien sivujen lokin ja käyttää eksponenttien sääntöä lokitoiminnoissa saadaksemme:
-19,47 = (t / 87,7) loki (1/2)
Voimme ratkaista tämän algebrallisesti saadaksesi t = 2463,43 vuotta.